Устройство для проверки прозрачных стеклянных изделий

 

Изобретение предназначено для контроля прозрачных изделий из стекла , например экранов телевизионных трубок, в целях выявления имеющихся в изделиях оптических дефектов. Цель изобретения - повьшение чувствительности контроля. Конструкция источника освещения обеспечивает его пространственную инвариантность и формирование множества коллимированных пучков света , ориентированных в различных направлениях . Равномерна освещенная рассеивающая свет пластина с наложенной на неЙ1 маской обеспечивает выявление преломляющих дефектов определенной степени и при этом делает систему нечувствительной в отношении дефек1 ов с более низкими преломляющими .эффектами. Выявление дефектов объекта осуществляется камерой, в которой используется линейная решетка светочувствительных диодов и которая имеет определенный угол зрения. 1 з.п. ф-лы, 16 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН, SU„„14334 (5g 4 G О 1 N 2 1/90

ВСЕСОЮЯН1Я

13„" ",,13

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К flATEHTY

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3949707/24-25 (22) 25.07.85 (31) 634930 (32) 27.07.84 (зз) us (46) 23.10.88. Бюл. У 39 (7 1) Оуэнс Иллинойс, Инк (uS) (72) Роберт Джон .Бирингер (us) (53) 535,24 (088.8) (56) Патент Японии У 5?-8415, кл. G 01 N 21/90, 1982.

Патент Великобритании Ф 2121537, кл G О1 .N 21/90, 1983. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕРКИ ПРОЗРАЧ. НЫХ СТЕКЛЯННЫХ ИЗДЕЛИЙ (57) Изобретение предназначено для контроля прозрачных изделий из стекла, например экранов телевизионных трубок, в целях выявления имеющихся в изделиях оптических дефектов. Цель изобретения — повышение чувствительности контроля. Конструкция источника освещения обеспечивает его пространственную инвариантность и формирование множества коллимированных пучков света, ориентированных в различных направлениях. Равномерно освещенная рассеивающая свет пластина с наложенной на ней маской обеспечивает выявление преломляющих дефектов определенной степени и при этом делает систему нечувствительной в отношении дефектов с более низкими преломляю- щими эффектами. Выявление дефектов объекта осуществляется камерой, в которой используется линейная решетка светочувствительных диодов и которая имеет определенный угол зрения.

1 з.п. ф-лы, 16 ил.

1433426

Изобретение относится к контролю изделий из стекла, например бутылок или банок, на наличие оптических дефектов.

Цель изобретения — повышение чув"

5 ствительности определения преломляющих дефектов.

На фиг, 1 приведено схематически предлагаемое устройство; на фиг. 2 схема работы устройства; на фиг. 3 разрез А-А на фиг. 1; на фиг ° 4 система контроля стеклянных сосудов, общий вид; на фиг. 5 — разрез Б-Б на фиг. 3; на фиг, 6 — часть оптической следящей системы предлагаемого устройства так, как эта часть видна по разрезу Б-Б; на фиг. 7 — график измерений интенсивности проходящего через изделие света, полученный с использованием части следящей оптической системы, показанной на фиг. 6;

I I на фиг. 8 — разрез В-В на фиг. 3 „на фиг. 9 — часть оптической следящей системы предлагаемого устройства так, 25 как эта часть видна по разрезу В-В; на фиг. 10 — график измерений интенсивности света, проходящего через часть изделия, показанную на фиг. 6„ и регистрируемого частью следящей оп" тической системы, показанной на фиг. 9; на фиг. 11 — разрез Г-Г на фиг. 4(стенка сосуда, на котором виден скрытый в стенке пузырек); на фиг. 12 — поле зрения камеры, направленной на часть стенки проверяемой стеклянной бытылки, изображенной на фиг. 11 на фиг. 13 — график выходного сигнала камеры, в поле зрения которои находится часть стенки проверяемой бутылки, показанной на фиг. 12; на фиг. 14 — разрез Д-Д на фиг. 3, (часть изделия на котором видно вкрапление в стенке постороннего материала); на фиг. 15 — поле зрения камеры, направленной на часть изделия, показанную на фиг. 14; на фиг. 16 — график выходного сигнала камеры, в поле зрения которой находится часть изделия, показанная фиг. 15.

Осветительная система (фиг. i) предназначена для подсветки экрана телевизионной трубки в целях селективного обнаружения преломляющих дефектов, а также вкраплений посто55 ронних материалов, скрытых пузырьков, раковин и других функциональных дефектов в стекле.

Поскольку телевизионные экраны имеют значительные размеры и искрив лены в двух взаимно перпендикулярных направлениях, для контроля их качества более подходит трехканальная система. Под экраном f смежно один другому в одну линию, поперечную ширине экрана, располагаются три источника света (фиг, 3), Каждый источник света располагается так, что его центральная ось ориентируется перпендикулярно части поверхности экрана 1, напротив которой данный источник уста новлен. Каждый из источников 2 света действует в паре с соответствующей камерой 3, ось зрения которой совпадает с централиной осью соответствующего источника так, что в камеру,попадает свет, проходящий через практически плоский участок экрана, освещаемый снизу соответствующим источником света. Поле зрения линейной решетки светочувствительных элементов каждой из камер представляет собой часть узкой полоски поверхности экрана 1, перпендикулярной ширине экрана, включая и загнутые вверх края экрана. На практике экрана 1 во время его проверки фиксируется на подвижной рамке (не показана) и движется по дугообразной траектории.

Геометрический центр дуги, на которой движется опорная рамка с установленным на ней экраном 1, совпадает с осью кривизны экрана 1 в направлении его длины. При движении экрана 1 по дугообразной траектории его поверхность полностью проходит между источниками 2 света и камерами 3, благодаря чему обеспечивается контроль всей видимой части экрана, Использование в осветительной системе (фиг. 1) трех отдельных источников света позволяет применять в системе линзы Френеля меньших размеров и ориентировать центральные оси источников так, что результирующая поверхность осветительной системы более полно соответствует искривленной поверхности экрана 1.

Однако в конструкции источника рассеянного света, рассчитанном на освещение экрана по всей его ширине, может быть использована одна линза

Френеля, но в этом случае линза должна иметь достаточные размеры.

При изготовлении стеклянной посуды на обычных формовочных машинах всегда существует вероятность появле1433426 ния в иэделиях различных дефектов, которые не поглощают падающий на них свет. Такие, образующиеся в процессе формирования иэделий, поверхностные дефекты подразделяются на три категории.

Примером таких дефектов является нитевидная складка на поверхности из, делия, кроме того, пустоты, которые в зависимости от размеров иногда называются пузырьками или зернами. К другим дефектам относятся такие, которые связаны с неоднородностью материала. В общем случае все указанные дефекты вызывают преломление или отражение попадающего на них света.

Обнаружение преломляющих дефектов в объектах, имеющих простую геометрию, например в листовом стекле, 20 осуществляется сравнительно простыми средствами. При обратной подсветке плоского стекла сфокусированным пучком света установлен ля с противоположной стороны стекла оптическая 25 система с ограниченным полем зрения воспринимает участки стеклянного листа, где проходящий свет преломляется, в виде затемненных участков поверхности. Чувствительность такой системы в отношении дефектов проверяемого объекта зависит от величины угла зрения объектива и угловых размеров пучка света обратной подсветки. Кроме того, обнаружение преломляющих дефектов в объектах более сложных форм, например, дефектов в стеклянных сосудах, является достаточно сложной проблемой. Преломление света при его прохождении через стеклянный сосуд обус- О ловлено не только наличием отражающих дефектов, но главным образом самой формой сосуда. Кроме того, внутренняя поверхность стеклянных сосудов формируется свободно. т. е. без воздействия формовочной поверхности, поэтому внутренние поверхности . годных для использования сосудов могут иметь значительные искривления. Искривления внутренней поверхности стеклянных сосудов можно обнаружить обычными способами, например, как плоского стекла. . Контроль экранов телевизионных трубок в целях выявления оптических де5 фектов, которые делают экраны непригодными для их использования по назначению, начинается до операции окончательной полировки, когда необходимо определить имеются ли на наружной стороне экрана мелкие поверхностные трещины, Такие мелкие поверхностные трещины, когда они освещаются пучком света с ограниченным угловым спектром, вызывают преломление проходящего через экран света.

Для эффективности подсветки, обеспечивающей возможность оптического обнаружения дефектов, необходимо применение источника света с более широким угловым распределенчем, например источника рассеянного света. В системах выявления дефектов, которые поглощают падающий на них свет, нежелательные эффекты, вызываемые преломлением света, в значительной степени могут быть определены путем использования изотропного освещения объекта и наблюдением проходящего через объект света. Если производится проверка прозрачного сосуда, имеющего приблизительно цилиндрическую боковую стенку, когда источник света располагается по одну сторону конвейера, на котором движутся проверяемые сосуды, а камера располагается с противоположной стороны конвейера, камера регистрирует свет от источника после прохождения его через две стенки сосуда. При использовании в системе источника рассеянного света изображение ближайшей к камере стенки сосуда существенно не отличается от ее иэображения в случае отсутствия второй, более удаленной стенки сосуда. Таки% образом, для простоты можно исключить удаленную от камеры и ближайшую к источнику света стенку проверяемого сосуда и рассматривать принцип выявления дефектов на системе, в которой проверяемый сосуд имеет только одну стенку, иэображение которой воспринимается камерой.

В большинстве случаев изготавливаемые на стеклоформовочных машинах сосуды имеют осадочную волну, которая обычно образуется ниже средней плоскости сосуда, но несколько выше дна сосуда. Дефект в виде осадочной волны образуется во время выдувания бутылки из грушевидной заготовки в форме вследствие того, что стекло в кольцевой части заготовки, смежной дну форме, обычно холоднее, чем в других частях заготовки, и поэтому распределяется не так равномерно, как в других частях. Таким образом, 5 i4334 осадочная волна представляет собой несколько утолщенную нижнюю кольцевую часть боковой стенки стеклянного сосуда и лишь несколько изменяет

5 внешнии вид стеклянного сосуда. Если внешний вид сосуда не является определяющим фактором пригодности сосуда для его использования по назначению, то осадочную волну можно как дефект не рассматривать, а как плавный, преломляющий оптический дефект боковой стенки сосуда.

На фиг. 2 показана двухмерная схема прохождения света через изделие иэ стекла и приема проходящего через иэделие света камерой 3, имеющей угол зрения Д, и формирующей изображение окрестности точки С на поверхности изделия. Если с обращенной к источни- 2О ку 2 света стороны изделие имеет плоскую поверхность, обозначенную пунктирной линией 4, то свет, воспринимаемый камерой 3 от точки С, излучается участком А источника 2 света. 2б

Если обращенная к источнику 2 света сторона изделия имеет искривленную поверхность, обозначенную сплошной линией 5 (фиг. 2), ось зрения камеры

3 в результате преломления света от- 3о клоняется на угол Q и камера 3 воспринимает от точки С свет, излучае-. мый в данном случае участком А источника 2 света. Если последний является изотропным и имеет одинаковую

35 яркость по всей площади, то яркость изображения точки С в отсутствии поглощения света в случае преломления проходящего через изделие света остается неизменной. Факт преломления света можно установить путем ! маскирования участка А источника 2 света. Такое маскирование последнего ! обеспечивает затенение участка А и вследствие этого изображение точки

С, формируемое камерой 3, представляется темным пятном на ярко освещенном фоне. Таким образом, в системе преломляющие дефекты изделия вызывают уменьшение кажущегося пропускания ! света подобно тому, как это показано для точки С, т. е. действуют подобно светопоглощающим дефектам. Применение масок в дефектоскопии ограничивается тем, что они лишают системы пространственной инвариантности. При использовании маски четкость и яркость изображения данного дефекта зависит от относительного расположения

26 6 точки С и края маски 6 так, что четкость и яркость изображения дефекта оказываются в зависимости от поперечного положения дефекта в поле зрения камеры и от расстояния объекта от маски. Таким образом, даже умеренный преломляющий дефект, находящийся в данной части поля зрения, может вызвать ослабление проходящего через него света, одинаковое с ослаблением света, проходящего через более крупный преломляющий дефект, но расположенный в другой части поля зрения, а это означает, что система представляет собой пространственно-вариантную систему.

Указанные ограничения можно обойти, если кажущееся пропускание света в точке С зави"ит только от угла.Q. на который в результате преломления света отклоняется ось зрения, Использование для подсветки объекта источника света, имеющего равно-. мерную яркость- -по всей площади и неизотропное распределение интенсивностиинтенсивность проходящегочерез

) объект света независима от местоположеf ния точки А на источнике и, следовательно, от относительного расположения то-! чек С и А, что дает требуемуюпространственную инвариантность. Можно добиться, чтобы источник рассеянного света имел пространственное распределение интенсивности, трансформируемое на стороне линзы, обращенной к объекту, в угловое распределение. В этом случае задача селективного подавления видимости плавных поверхностных дефектов может быть решена оптическими средствами, Поскольку плавные поверхностные дефекты характеризуются малыми углами преломления света, они становятся невидимыми, если при таких малых углах источника света имеется равномерное распределение интенсивности или равномерный угловой спектр.

Специальный источник света (фиг. 3) имеет требуемый угловой спектр и оборудован оптической насадкой, В данном случае источник 2 рассеянного света включает матовое. стекло 7, за которым располагается-.множество ламп 8 накаливания. Матовое стекло 7 располагается на расстоянии от линзы 9, фокус:.ое расстояние которой равно F.

Каждая точка источника 2, например точки Х и Y за линзой 9 формирует

7 14 коллимированный пучок света. Точка Х дает коллими11ованный пучок 10 света, а точка Y — коллимированный пучок 11 света. Коллимированный пучок 10 света. ориентирован параллельно линии, проходящей от точки Х через оптический центр линзы 9 ° Также коллимированный пучок 11 света ориентирован параллельно линии, проходящей от точки Y через оптический центр линзы 9, Если источник 2 света является изотропным и имеет равномерное распреде ение яркости по всей площади, то плотность потока света в двух коллимированных пучках одинаковая. Если на источник рассеянного света установить маску 6 шириной а = 2F ада„ то угловой спектр света между линзой и объектом ограничивается углами, равными или меньшими, чем + Q,. Таким образом, изменением ширины маски 6 можно изменить величину угла Q„ однако нет необходимости в том, чтобы двухмерный угловой спектр в плоскости перед линзой был изотропным, т.е. этот спектр может иметь произвольную конфигурацию, которую можно выбирать изменением формы маски 6.

Система подсветки с неизотропным угловым спектром наиболее подходит в случае контроля прозрачных бутылок, поскольку в профиль они не имеют круговой симметрии. Таким образом, использование подсветки (фиг. 3) обеспечивает возможность контроля пространственно-инвариантной системы подсветки с использованием маскированного источника, являющейся вариантом указанной пространственно-вариантной системы подсветки, в которой также используется маскированный источник света. Основной эффект этой системы подсветки состоит в том, что она обладает повышенной чувствительностью в отношении преломляющих дефектов, характеризующихся большими углами преломления света, и обеспечивает более точное выявление преломляющих дефектов. Камера 3, поскольку в ней используется вертикальная линейно сканирующая. решетка светочувствительных элементов, фокусируется на линии, находящейся в пространстве, через которое движутся подлежащие проверки объекты. Источник 2 света имеет наи- больший размер в направлении d т.е. в направлении движения проверяемого объекта или перпендикулярно оси стек1

33426 Я

35

55 лянного сосуда (фиг. 4) . В другом направлении источник 2 света может. иметь значительно меньший размер. В рассматриваемой системе свет, попадающий на обратную сторону объекта, представляет собой ориентированный пучок света со сравнительно небольшим спектром углов рассеяния, тогда как при использовании рассеивающего элемента лучи света оказываются ориентированными во всех направлениях.

Угловая направленность подсветки определяется в соответствии с физичес кими и оптическими характеристиками исследуемого объекта и достигается выбором соответствующего угла зрения камеры и фокусного расстояния линзы в функции размеров маски. Используемая в конструкции источника света линзы обеспечивает направленность излучения источника.

Каждая точка источника 2 рассеянного света является источником множества элементарных лучей, которые испускаются всей поверхностью линзы в виде папаллельного пучка, ориентированного в направлении линии, проходящей от данной точки источника через оптический центр линзы. Каждая точка источника света генерирует семейство элементарных лучей, направления которых определяются различием положения точки относительно оптического центра линзы, благодаря чему для всех точек перед линзой угловой спектр света получается одинаковым, т.е. подсветка получается пространственноинвариантной. Система подсветки позволяет производить выбор требуемого углового спектра света. Угловой спектр света должен выбираться таким образом, чтобы это обеспечивало максимальную чувствительность системы в отношении преломляющих дефектов, которые требуется обнаруживать, однако для допустимых плавных преломляющих дефектов свет с таким угловым спект. ром должен оставаться достаточно рассеянным. Если свет источника подсветки сли ком рассеян, все преломляющие дефекты размываются и обнаружить их не удается. В поле зрения камеры, используемой в рассматриваемой систЕме, в каждый данный момент находится только узкая вертикальная полоска поверхности движущегося относительно камеры исследуемого объекта.

Получаемый в осветительной системе угловой спектр света обеспечивает высокую чувствительность системы в отношении резка выраженных преломляю5 щих дефектов и подавление чувствитель ности системы в отношении плавных

1 поверхностных дефектов„например де,фектов стеклянных сосудов и других

1 изделий из прозрачного стекла движу- 10

9 щихся через поле зрения камеры 3, Линза 9 может иметь достаточно большой диаметр, обеспечивающий возможность освещения проверяемого cocy-! да по всей его высоте (фиг. 4). Для проверки сосуда по всей окружности его боковой стенки (фиг. Ф) его после

I первого прохода в поле зрения камеры

3 следует повернуть вокруг вертикаль1

О ной оси на 90 и затем повторить про- 2g

1 верку. В системе должны быть предусмотрены электронные средства, обеспечивающие исключение выходных сигналов„ смонтированных в камере светочувствительных элементов, которые 26 генерируются при попадании в камеру света, проходящего через. закраины проверяемого сосуда. Иаска 6 устанавливаемая на рассеивателе источника света, может быть приведена в соответст- щ ,вие с конфигурацией проверяемого со-. суда так, чтобы, кроме боковой стен-! ки сосуда, обеспечивался контроль суживающейся части и горловины сосуда. В данном случае маска 6 может быть выполнена в виде бабочки с рас.крытыми крыльями так, чтобы широкая .часть маски соответствовала скошен,ной суливающейся части проверяемого сосуда. 46

На фиг. 5 и 8 показаны разрезы 4астей экрана телевизионной трубки с умя различными поверхностными дефектами, которые могут возникнуть в поцессе изготовления экранов. На поверхности стекла имеется тонкая KBHBHка, края которой имеют различный угол наклона относительно плоскости экрана (фиг. 5). Верхняя. стенка канавки имеет большой угол наклона (,, а нижняя стенка — сравнительно не- большой угол наклона g<-.. Верхняя стенка канавки, имеющая угол наклона Я,, вызывает преломление проходящего через нее света, в результате чего вертикальный ряд светочувствительных

f элементов 12 (фиг,4) вырабатывает выходной сигнал (фнг, 7) Угол G намного больше угла Й и поэтому проходя1ч33426 щий через верхнюю стенку канавки свет на соответствующие светочувствительные элементы не попадает (фиг. 5).

Кроме того, угол наклона нижней стенки канавки Q меньше угла Q, поэтому преломление проходящего через эту стенку света получается сравнительно небольшим, т.е. на соответствующие светочувствительные элементы камеры свет попадает почти без ослабления.

На фиг. 8 показан разрез части экрана телевизионной трубки с поверхностным дефектом s виде небольшого выступа, скаты которого имеют угол наклона 9, величина которого меньше угла В . В данном случае, как и в случае нижней стенки канавки на поверхности экрана (фиг. 5), попадающий на соответствующие светочувствительные элементы 12 свет не ослабля-. ется, что представлено диаграммой выходных сигналов, на которой все сигналы имеют одинаковый уровень (фиг. 10).

На фиг. 11 показан разрез части экрана телевизионной трубки с дефек-. том в виде скрытого в стекле пузырька В. Свет от источника подсветки, проходя через пузырьковый дефект, преломляется, в результате отклоняется от нормального направления осей зрения нескольких светочувствительных элементов в линейной решетке камеры, что и позволяет обнаруживать дефект.

Однако свет, проходящий через центр узырькового дефекта, не преломляется (фиг. 13).

На фиг. 12 показано, что пузырьковый дефект В ослабляет попадающий в камеру свет источника подсветки, а на фиг. 13 — форма выходного сигнана камеры, показывающая уровни выходных сигналов светочувствительных элементов. Уровень интенсивности проходящего через исследуемый объект света в отсутствии преломляющих или поглощаю" щих свет дефектов составляет 100Х, однако в случае полного преломления (фиг,. 5 и 11), уровень интенсивности проходящего через объект света падает почти до нуля. Нижняя стенка канавки на поверхности экрана (фиг. 5) имеет малый угол наклона, при выбранном освещении преломление света на нижней стенке канавки получается недостаточным для его обнаружения.

На фиг. 14 показан дефект экрана телевизионной трубки в виде вкрапле1«334 ния S которое полностью блокирует прохождение света, так как это вкрапление представляет собой непрозрачный элемент, появляющийся в стекле

5 во время его варки и состоящий иэ Нррасплавившихся компонентов шихты, Такие вкрапления в стекле являются концентраторами напряжений и, следовательно, представляют собой потенциальные источники разрушения стекла под действием ударных нагрузок или резких перепадов температуры. Таким образом, стеклянные сосуды с дефектами в виде вкраплений должны от5раковываться, так как всегда существует вероятность их разрушения во время затаривания или при транспортировке.

Вкрапления посторонних материалов в экранах телевизионных трубок являются недопустимыми функциональными дефектами. Дефекты экранов телевизион. ньгх трубок в виде пузырьков и вкраплений (фиг. 11 и 15 соответственно) посторонних материалов всегда нежела- 25 тельны, так как они мешают нормальному восприятию телевизионного изображения.

На фиг. 15 и 16 показан эффект присутствия в стекле вкрапления по- gp стороннего материала на проходящий

26 через проверяемый экран свет, который выражается в том, что вкрапление

S полностью закрывает от света сразу несколько светочувствительных элементов, Формула изобретения

1. Устройство для проверки прозрачных стеклянных изделий на наличие преломляющих дефектов, содержащее источник рассеянного света равномерной яркости, средство для перемещения иэделия по горизонтали и вертикальную линейную решетку светочувствительных элементов, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью повышения чувствительности определения преломляющих дефектов, оно снабжено двояковыпуклой линзой, установленной перед источником рассеянного света на расстоянии, равном ее фокусному расстоянию.

2. Устройство по и. 1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем,.что непосредственно перед источником рассеянного света установлена маска, закрывающая периферийные части источника рассеянного света и ограничивающая угол коллимации.

1433426

1433426

108 S0

Й!

Фиг.7 юУЯО

I l l

Фиг. f0 (433426

4Ь8. 12

О ЮЮО (Составитель Ю. Гринева

Техред Л.Олийнык

Корректор Н.Король

Редактор И.Шулла

Заказ 5472/59

Производственно-полиграфическое предприятие, r, Ужгород, ул. Проектная, 4

Тираж 847 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий ((3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

0 50И7 (3 =ИВ

Й

Ф

МИЕ

1 (1

Фиг. 0